轉爐低鐵水比冶煉技術及生產實踐

供稿|張寶景，張朝發，王淼 / ZHANG Bao-jing, ZHANG Chao-fa, WANG Miao

作者單位：河鋼集團唐鋼公司二鋼軋廠，河北 唐山 063016

隨著環保和鋼鐵去產能力度的日益加大，高爐鐵水的產量將明顯降低，對以消耗鐵水為主的轉爐煉鋼產生強烈沖擊。另一方面，隨著國家對“地條鋼”的全面取締，預計市場會增加約1億t的廢鋼供應。因此，降低鐵水消耗、提高廢鋼比例是轉爐煉鋼廠提高生產效率，降低煉鋼成本的有效手段[1]。文章基于鋼鐵冶金原理，從理論上分析了降低轉爐鐵水比的可行性，以此為基礎論述了中小轉爐低鐵水比生產實踐。

降低鐵水比的可行性

根據鋼鐵冶金原理進行轉爐物料平衡和熱平衡計算，計算所需的工藝參數來自文獻[2]，計算鋼種為低合金鋼，計算所用鐵水條件和終點鋼水條件見表1，以100 kg鐵水為計算基礎，轉爐物料平衡和熱平衡計算結果分別見表2和表3。

從表2可以看出，在不考慮廢鋼和冷料加入量以及脫氧合金化的前提下，鋼水的收得率為：93.18%，與現場生產數據相吻合。從表3可以看出鐵水物理熱是轉爐熱量的主要來源，在不考慮爐渣帶走熱量的條件下，轉爐的熱效率為74.77%，表3中的富余熱量，可以熔化廢鋼15.11 kg。根據表2和表3的計算結果，在考慮廢鋼加入、脫氧合金化和無外來補充熱量的條件下，轉爐的最低鐵水比可達到82%~83%，即鐵水消耗為880~890 kg/t。

2016年二鋼軋廠轉爐平均鐵水比92%左右，轉爐物料平衡和熱平衡的理論計算結果表明，轉爐鐵水比還有很大的降低空間。因此，二鋼軋廠降低轉爐鐵水比是可行的。

轉爐極限鐵水比計算

綜合考慮鐵水條件、轉爐冶煉終點條件，從熱平衡角度計算了目前冶煉條件下轉爐極限鐵水比。計算條件：轉爐定量裝入；冶煉過程中造渣料只使用石灰和輕燒白云石，不使用石灰石；廢鋼中不含鐵塊；轉爐終點溫度1665±5℃；終點C質量分數0.06%~0.08%。分別計算加冷料、不加冷料兩種情況下轉爐的極限鐵水比。

表1 鐵水、廢鋼和轉爐終點鋼水成分(質量分數，%)和溫度

表2 轉爐物料平衡計算結果

表3 轉爐熱平衡計算結果

冶煉過程不加冷料轉爐極限鐵水比

冶煉過程中不使用任何冷料，不同鐵水條件下轉爐極限鐵水比見圖1所示。圖1表明，不同鐵水溫度和鐵水ω(Si)條件下，轉爐極限鐵水比變化較大。當鐵水溫度為1400℃，鐵水ω(Si)為0.70%左右時，轉爐極限鐵水比可以達到78%左右。從圖1可以看出，鐵水溫度升高20℃，極限鐵水比平均降低1%；鐵水ω(Si)升高0.1%，極限鐵水比平均降低1%。當鐵水溫度為1300~1320℃、鐵水ω(Si)=0.50%~0.60%時，轉爐的極限鐵水比為82%左右。

冶煉過程加20 kg/t冷料轉爐極限鐵水比

圖1 不加冷料極限鐵水比的變化趨勢

圖2 加20 kg/t冷料時極限鐵水比的變化趨勢

冶煉過程中使用20 kg/t除塵球，不同鐵水條件下轉爐極限鐵水比見圖2。不同鐵水溫度和鐵水ω(Si)條件下，轉爐極限鐵水比變化較大。當鐵水溫度為1400℃，鐵水ω(Si)為0.70%左右時，轉爐極限鐵水比可以達到83%左右。從圖2可以看出，鐵水溫度升高25℃，極限鐵水比可降低1%左右；鐵水ω(Si)升高0.1%，極限鐵水比平均降低1.3%左右。當鐵水溫度為1300~1320℃、鐵水ω(Si)=0.50%~0.60%時，轉爐的極限鐵水比為88%左右。

生產實踐

轉爐設備及工藝簡介

唐鋼二鋼軋廠煉鋼區域設備主要有1座脫硫站、2座頂底復吹轉爐、2座LF爐、配備2臺小方坯連鑄機，主要產品有建筑用熱軋帶肋鋼筋、角鋼、礦用鋼、輕軌等。煉鋼區的工藝流程為：鐵水預處理—復吹轉爐冶煉—鋼包全程底吹—(LF精煉)—小方坯連鑄。

轉爐平均冶煉周期32~34 min，吹氧時間13.5~14 min，供氧強度3.3~3.5 m3/(min·t)，氧槍采用4孔拉瓦爾噴頭，吹氧壓力0.75~0.95 MPa，供氧流量15500~19000 m3/h。轉爐復吹采用4支雙環縫式底吹槍，底吹強度為0.03~0.09 m3/(min·t)。

2016年二鋼軋廠轉爐生產穩定、順行，鋼產量為118萬t，轉爐平均鐵水比為92%左右。2017年廢鋼價格明顯低于鐵水價格，降低轉爐鐵水比可以明顯提高煉鋼經濟效益。因此，2017年3月以來二鋼軋廠開展了轉爐低鐵水比生產。

轉爐低鐵水比生產實踐

◆ 低鐵水比控制措施

轉爐采用低鐵水比生產后，為解決轉爐熱量不足的問題，采取了以下技術措施：

(1) 減少冶煉過程中冷料加入量，轉爐吹煉過程中禁止使用礦石、鐵皮球和石灰石等冷卻效應強的物料。為保證轉爐除塵灰的正常循環，轉爐冶煉過程中可以使用一定量的除塵球作為冷卻劑。

(2) 根據鐵水溫度和ω(Si)，選擇合適的廢鋼加入量和廢鋼配比。對于異常鐵水，限制廢鋼的加入量。

(3) 冶煉工藝優化，根據鋼鐵冶金原理[3]，在轉爐冶煉前期，適當降低的熔池溫度和提高FeO含量有利于脫磷反應的進行。因此，開吹選擇適當的低槍位以利于熔池升溫和硅錳氧化[4]，硅錳氧化結束后適當提高吹煉槍位，以控制熔池溫度緩慢上升和含有大量FeO的堿性渣的形成，脫磷期熔池溫度控制在1330~1350℃。

(4) 底吹參數調整，為充分發揮底吹的效果，對原有的復吹供氣模式進行調整，增加轉爐脫磷期的底吹供氣強度，改善冶煉前期脫磷效果，以提高一次拉碳時鋼水溫度和成分的命中率。

◆ 低鐵水比生產效果

采用低鐵水比生產后，轉爐生產穩定、順行，取得了顯著效果，煉鋼產量提高約10%，冷料消耗明顯降低，終點鋼水質量穩定，終渣FeO含量保持穩定。

(1) 鐵水消耗和冷料消耗。

圖3 鐵水比、鐵水消耗指標對比

圖4 冷料消耗指標對比

低鐵水生產前后轉爐鐵水消耗、鐵水比例和冷料消耗完成情況對比分別見圖3和圖4。從圖3可以看出，3月份轉爐平均鐵水比穩定在82.5%左右，對應鐵水消耗穩定在890 kg/t左右，與1—2月相比，轉爐平均鐵水比降低約10%，鐵水消耗降低約110 kg/t。煉鋼成本明顯降低，在相同的鐵水產量下，鋼水產量可以提高10%左右。從圖4可以看出，采用低鐵水比生產后，轉爐平均冷料消耗約降低了20 kg/t，冷料成本明顯降低。

(2) 終點碳、磷情況。

低鐵水比生產后，轉爐終點碳、磷完成情況見圖5所示。從圖5可以看出，降低入爐鐵水比后，轉爐終點平均碳質量分數為0.07%，平均磷質量分數為0.021%，基本呈正態分布，過程控制能力較好。

(3) 終渣FeO情況。

轉爐終渣FeO質量分數對比見圖6所示。圖6顯示，低鐵水比生產后轉爐平均終渣FeO質量分數降低0.15%左右，過程控制能力保持穩定，有小幅提高。

結束語

文章基于鋼鐵冶金原理，通過理論分析認為，在無外來熱量的條件下，轉爐降低鐵水比是可行的，轉爐低鐵水比生產取得的效果：

(1) 轉爐物料平衡和熱平衡計算表明，在無外來補充熱量的條件下，轉爐的極限鐵水比為82%~83%，對應鐵水消耗為880~890 kg/t。

圖5 轉爐終點碳、磷質量分數分布直方圖

(2) 轉爐冶煉過程中不使用冷料條件下，鐵水溫度升高20℃，極限鐵水比降低1%，鐵水ω(Si)升高0.1%，極限鐵水比降低1%；冶煉過程加20 kg/t冷料，鐵水溫度升高25℃，極限鐵水比降低1%，鐵水ω(Si)升高0.1%，極限鐵水比降低1.3%。

(3) 通過入爐原料優化、冶煉過程工藝優化和底吹工藝參數調整，可以實現轉爐低鐵水比下的穩定生產，煉鋼產量提高約10%，終點鋼水質量穩定，煉鋼成本明顯降低。

圖6 轉爐終渣FeO質量分數對比

攝影 楊 棟